(57)【要約】【課題】  光効率を向上させたＬＥＤパッケージ、それを採用した照明系及びプロジェクションシステムを提供する。【解決手段】  回転可能な複数のマイクロミラーを有して画像を形成するディスプレイパネルに照明を提供するためのＬＥＤパッケージにおいて、基板、及び基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップを備えることを特徴とするＬＥＤパッケージである。これにより、投射レンズユニットのストップにより非対称的な分布を有する有効光の形態に対応してＬＥＤチップを配列して光効率を改善する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な複数のマイクロミラーを有して画像を形成するディスプレイパネルに照明を提供するためのＬＥＤパッケージにおいて、
基板と、
前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップと、を備えることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
【請求項２】
前記ＬＥＤチップは、前記ディスプレイパネルに対してマイクロミラーの回転軸が傾斜した程度に基板に対して傾斜して配列されたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項３】
前記ＬＥＤパッケージは、前記ディスプレイパネルと同じ形態を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項４】
前記ＬＥＤチップは、長方形の形態を有することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか一項に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項５】
前記ＬＥＤチップの長方形の縦横比は、前記ディスプレイパネルで形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットに備えられたストップのＦｎｏに依存して決定されることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項６】
回転可能な複数のマイクロミラーを有して画像を形成するディスプレイパネルに照明を提供するための照明系において、
基板、及び前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップを備えたＬＥＤパッケージと、
前記ＬＥＤチップから出射された光を平行光に変える光学素子と、
前記光学素子を通過した光の強度を均一にするライトトンネルと、を備えることを特徴とする照明系。
【請求項７】
前記ＬＥＤチップは、前記ディスプレイパネルに対してマイクロミラーの回転軸が傾斜した程度に基板に対して傾斜して配列されたことを特徴とする請求項６に記載の照明系。
【請求項８】
前記ＬＥＤパッケージは、前記ディスプレイパネルと同じ形態を有することを特徴とする請求項６に記載の照明系。
【請求項９】
前記ＬＥＤチップは、長方形の形態を有することを特徴とする請求項６ないし８のうちいずれか一項に記載の照明系。
【請求項１０】
前記ＬＥＤチップの長方形の縦横比は、前記ディスプレイパネルで形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットに備えられたストップのＦｎｏに依存して決定されることを特徴とする請求項９に記載の照明系。
【請求項１１】
前記光学素子は、フライアイレンズであることを特徴とする請求項６ないし１０のうちいずれか一項に記載の照明系。
【請求項１２】
前記フライアイレンズは、前記ＬＥＤチップの配列に対応する配列を有することを特徴とする請求項１１に記載の照明系。
【請求項１３】
基板、及び前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップを備えたＬＥＤパッケージと、
前記ＬＥＤチップから出射された光を平行光に変える光学素子と、
前記光学素子を通過した光の強度を均一にするライトトンネルと、
前記ライトトンネルを通過した光を利用して画像を形成するために、複数の回転可能なマイクロミラーがパネルに配列されたディスプレイパネルと、
入射光に対して非対称的な分布を有する有効光を生成するストップを有し、前記ディスプレイパネルで形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットと、を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。
【請求項１４】
前記ＬＥＤチップは、前記ディスプレイパネルに対してマイクロミラーの回転軸が傾斜した程度に基板に対して傾斜して配列されたことを特徴とする請求項１３に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１５】
前記ＬＥＤパッケージは、前記ディスプレイパネルと同じ形態を有することを特徴とする請求項１３に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１６】
前記ＬＥＤチップは、長方形の形態を有することを特徴とする請求項１３ないし１５のうちいずれか一項に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１７】
前記ＬＥＤチップの長方形の縦横比は、前記ストップのＦｎｏに依存して決定されることを特徴とする請求項１６に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１８】
前記ＬＥＤチップの長方形の縦横比は、前記ストップの長軸と短軸との有効口径比の逆数であることを特徴とする請求項１７に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１９】
前記光学素子は、フライアイレンズであることを特徴とする請求項１３に記載のプロジェクションシステム。
【請求項２０】
前記フライアイレンズは、前記ＬＥＤチップの配列に対応する配列を有することを特徴とする請求項１９に記載のプロジェクションシステム。
【請求項２１】
前記ディスプレイパネルは、マイクロミラーの回転軸がパネルに対して対角線方向に配列されるか、または平行な方向に配列されることを特徴とする請求項１３ないし２０のうちいずれか一項に記載のプロジェクションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光効率を向上させたＬＥＤパッケージ、それを採用した照明系及びプロジェクションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクションシステムは、光源から照射された光を利用してディスプレイパネルで画像を形成し、前記画像を投射レンズユニットを通じてスクリーンに拡大投射するシステムであって、大型のスクリーンを通じて画像を視聴しようとする視聴者の要求を満足させる。プロジェクションシステムに使われる光源としては、ランプが多く使われるが、ランプは、体積が大きいだけでなく、高コストであり、熱が多く発生し、寿命が短いという短所がある。
【０００３】
したがって、ランプの代わりにレーザー光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として採用してプロジェクションシステムを構成する。ＬＥＤは、低コストであり、寿命が長いので、光源として有効に使われうる。一方、ＬＥＤは、一つのみでは輝度が不足し、複数個のＬＥＤをパッケージに構成して使用せねばならない。
【０００４】
図１に示すように、従来のＬＥＤパッケージ１０は、ＬＥＤ基板１３に複数個のＬＥＤチップ１５が所定間隔で配列されて形成される。ＬＥＤチップ１５は、ほぼ正方形の形態を有する。プロジェクションシステムで画像を形成するディスプレイパネルのうち一つであるＤＭＤ（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｓｅ）は、複数個のマイクロミラーが２次元的に配列されて構成され、それぞれのマイクロミラーが独立的にオン／オフ駆動されて回転することによって画像を形成する。
【０００５】
図２Ａは、マイクロミラー３０がオンであるとき及びオフであるとき、それぞれ入射光がマイクロミラー３０を通じて反射される経路を示す図である。例えば、１６：９の縦横比を有するディスプレイパネルのサイズは、横が２．３ｃｍであり、縦が１ｃｍであり、かかるチップに入るマイクロミラーはきわめて小型である。一つのマイクロミラーのサイズは、μｍ単位で極小型であるので、マイクロミラーの駆動を精密に制御し難い。また、ＤＭＤの構造的な理由により、マイクロミラーが回転できる角度が制限され、マイクロミラーの勾配αによって入射光のコーンアングルが制限される。
【０００６】
マイクロミラー３０がオンであるとき、入射光Ｌｉがマイクロミラー３０から反射されてスクリーンｓに向かって垂直に進めるために、入射光Ｌｉは、マイクロミラー３０に対してαの入射角を有して入射される。ここで、マイクロミラー３０がオンであるとき、マイクロミラーから反射されて画像を形成するのに使われる光を有効光Ｌｅとし、マイクロミラー３０がオフであるとき、マイクロミラーから反射されて投射レンズユニットの外側に出る光を無効光Ｌｕとする。入射光Ｌｉと有効光Ｌｅとが互いに干渉しないようにするために、入射光Ｌｉのコーンアングルは、±α内でなければならない。例えば、αが１２°であるとき、入射光Ｌｉのコーンアングルは、±１２°範囲内にあることが望ましい。次に、マイクロミラー３０がオフであるとき、マイクロミラー３０が反対側に傾斜して、入射光Ｌｉは、前記垂直軸Ｐから外れる方向に反射される。一方、マイクロミラー３０を覆うウィンドウ３１が備えられるが、前記ウィンドウ３１から反射される外光Ｌｏが存在する。
【０００７】
前記したように、入射光と有効光とが互いに干渉しないようにするために、入射光Ｌｉのコーンアングルの範囲が制限される。図２Ｂは、マイクロミラー３０の回転軸ｃと有効光との関係を表すために、入射光Ｌｉ、有効光Ｌｅ、外光Ｌｏ及び無効光Ｌｕを同じ平面に投影して示す図である。図２Ａを参照して説明したコーンアングルを考慮するとき、回転軸ｃに対して垂直な軸を第１軸Ｔ１とし、回転軸に対して平行な軸を第２軸Ｔ２とするとき、第１軸に対しては、前記したように入射光と有効光とが干渉しうる一方、第２軸に対しては、干渉するおそれがないので、第２軸に対するコーンアングルは相対的に余裕がある。したがって、第２軸に対しては、第１軸に比べてコーンアングルを大きくすることによって光効率を向上させる。第２軸に対するコーンアングルを増大させるために、ストップを利用して楕円形の光を生成する。
【０００８】
図３Ａは、マイクロミラー３０が２次元的に配列されたディスプレイパネル３５の構造を示す図であって、マイクロミラー３０の回転軸Ｃとディスプレイパネル３５との配置関係を示す。図３Ｂは、従来のＬＥＤパッケージから照明される光４０と、投射レンズユニットのストップにより形成される有効光４２とを比較して示す図である。ここで、マイクロミラーの回転軸はＹ軸に対応する。光４０と有効光４２とを比較すれば、図１に示したようなＬＥＤパッケージ構造では、ディスプレイパネルに入射される光が正方形の分布を有するため、図３Ｂに示すように、ストップにより除去される光が多くて光効率が低下するという問題点がある。
【特許文献１】日本特許公開第２００２−１８５０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、前記した問題点を解決するためのものであって、光効率を向上させるために、ＬＥＤチップの配列構造を改善したＬＥＤパッケージ、それを採用した照明系及びプロジェクションシステムを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明によるＬＥＤパッケージは、回転可能な複数のマイクロミラーを有して画像を形成するディスプレイパネルに照明を提供するためのＬＥＤパッケージにおいて、基板と、前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
前記ＬＥＤチップは、前記ディスプレイパネルに対してマイクロミラーの回転軸が傾斜した程度に基板に対して傾斜して配列されることが望ましい。
【００１２】
前記ＬＥＤパッケージは、前記ディスプレイパネルと同じ形態を有することを特徴とする。
【００１３】
前記ＬＥＤチップは、長方形の形態を有することが望ましい。
【００１４】
前記ＬＥＤチップの長方形の縦横比は、前記ディスプレイパネルで形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットに備えられたストップのＦｎｏに依存して決定されることが望ましい。
【００１５】
前記の目的を達成するために、本発明による照明系は、回転可能な複数のマイクロミラーを有して画像を形成するディスプレイパネルに照明を提供するための照明系において、基板、及び前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップを備えたＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤチップから出射された光を平行光に変える光学素子と、前記光学素子を通過した光の強度を均一にするライトトンネルと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
前記光学素子は、フライアイレンズであり、フライアイレンズは、前記ＬＥＤチップの配列に対応する配列を有することを特徴とする。
【００１７】
前記の目的を達成するために、本発明によるプロジェクションシステムは、基板、及び前記基板に対して所定角度ほど傾斜して配列されたＬＥＤチップを備えたＬＥＤパッケージと、前記ＬＥＤチップから出射された光を平行光に変える光学素子と、前記光学素子を通過した光の強度を均一にするライトトンネルと、前記ライトトンネルを通過した光を利用して画像を形成するために、複数の回転可能なマイクロミラーがパネルに配列されたディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルで形成された画像をスクリーンに拡大投射させる投射レンズユニットとを備えることを特徴とする。
【００１８】
前記ディスプレイパネルは、マイクロミラーの回転軸がパネルに対して対角線方向に配列されるか、または平行な方向に配列されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によるＬＥＤパッケージは、投射レンズユニットのストップにより非対称的な分布を有する有効光の形態に対応してＬＥＤチップを配列して光効率を改善する。光効率を改善することによって、ＬＥＤの電力消耗を減らし、これにより発熱量が減少するのでＬＥＤパッケージの冷却が容易である。
【００２０】
本発明による照明系及びプロジェクションシステムは、ディスプレイパネルの構造に符合するように構造が改善されたＬＥＤパッケージを採用してさらに明るい画像を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２２】
本発明によるプロジェクションシステムは、図４に示すように、光を照射するＬＥＤパッケージ１００、ＬＥＤパッケージ１００から照射される光を利用して画像を形成するディスプレイパネル１３２、及び前記画像をスクリーンＳに拡大投射する投射レンズユニット１３５を備える。
【００２３】
ＬＥＤパッケージ１００から照射された光は、光学素子１２０を通じて平行光に変え、ライトトンネル１２５を通じて均一な光強度を有する光に生成される。
【００２４】
光学素子１２０とライトトンネル１２５との間の光路上には、第１集束レンズ１２２、第２集束レンズ１２３及び第３集束レンズ１２４が備えられ、ライトトンネル１２５とディスプレイ素子１３２との間の光路上には、第４集束レンズ１２７とライトトンネル１２５とを通過した光を全反射させる全反射プリズム１３０が備えられる。
【００２５】
全反射プリズム１３０は、ＬＥＤパッケージ１００から出射された光をディスプレイパネル１３２側に全反射させる入射側のプリズム１３０ａ、及びディスプレイパネル１３２から反射された光を投射レンズユニット１３５に向かって透過させる出射側のプリズム１３０ｂを備える。また、投射レンズユニット１３５は、光効率のために、ディスプレイパネル１３２の構造に対応して有効光を生成するストップ１３４が配置される。
【００２６】
ＬＥＤパッケージ１００は、図５に示すように、基板１１３に複数個のＬＥＤチップ１１５が配列され、ＬＥＤチップ１１５は、基板１１３に対して所定勾配θほど傾斜して配置される。
【００２７】
ＬＥＤチップ１１５の勾配θは、ディスプレイパネル１３２の構造によって変わる。前記勾配θは、ディスプレイパネル１３２のマイクロミラーの回転軸がパネルに対して傾斜した角度と同じ角度を有することが望ましい。
【００２８】
ディスプレイパネル１３２は、図６Ａに示すように、パネル１６０に複数のマイクロミラー１６５が一列に配列されて形成され、マイクロミラー１６５は、回転軸Ｃを中心に回転する。マイクロミラー１６５がパネル１６０に対して長方形の形態に並べて配列され、回転軸Ｃは対角線方向に位置する。ディスプレイパネル１３２が図６Ａに示したような構造を有するとき、ストップ１３４により形成される有効光１４０は、図７に示すように、マイクロミラー１６５の回転軸Ｃ方向に長軸を有する楕円形となる。
【００２９】
そして、ＬＥＤチップ１１５は、楕円形の有効光に対応する形態を有するように長方形の形態を有することが望ましい。長方形の縦横比は、ストップ１３４のＦｎｏに依存して決定することが望ましい。Ｆｎｏ＝（焦点距離／有効口径）であり、ＬＥＤチップ１１５の縦横比がストップ１３４の短軸と長軸とに対する有効口径比の逆数値を有させる。ストップ１３４の有効口径比は、図７に示した楕円形の有効光１４０の短軸と長軸とに対する長さの比と同一である。
【００３０】
また、前記勾配θは、マイクロミラー１６５の回転軸Ｃのパネル１６０に対する勾配と同じ値を有することが望ましい。このようにＬＥＤチップがマイクロミラーの回転軸Ｃと同じ勾配ほど傾斜して配置されるとき、光学素子１２０とライトトンネル１２５とを通過した照明光１４０は、図７に示すように、傾斜した長方形の形態のコーンアングルを有する光分布を有する。したがって、有効光１４０と照明光１４１とを比較するとき、照明光１４１から除去される光量が最小化されうる。図８Ａは、照明光１４１の短軸方向での光角による光強度の分布を示す図であり、図８Ｂは、照明光１４１の長軸方向での光角による光強度の分布を示す図である。かかる光強度の分布によって、照明光１４１に対する有効光１４０の比を高めて光効率を向上させるということが分かる。
【００３１】
一方、図６Ｂに示すように、マイクロミラー１７５がパネル１７０に対してダイヤモンドの形態に配列されうる。このとき、マイクロミラー１７５の回転軸Ｃがパネル１７０に対して水平に配列されるか、または垂直に配列されうる。マイクロミラー１７５がパネル１７０に対して水平に配列されるとき、長方形のＬＥＤチップは、その長軸が基板１１３に対して水平に位置するように配列されることが望ましい。また、マイクロミラー１７５がパネル１７０に対して垂直に配列されるとき、長方形のＬＥＤチップは、その長軸が基板１１３に対して垂直に位置するように配列されることが望ましい。
【００３２】
ＬＥＤパッケージ１００は、ディスプレイパネル１３２と類似した形態を有することが望ましい。さらに望ましくは、ディスプレイパネル１３２とほぼ同じ縦横比を有する長方形の形態を有する。
【００３３】
ＬＥＤパッケージ１００から出射された光は、光学素子１２０を通じて平行光になり、光学素子１２０は、例えばフライアイレンズでありうる。そして、フライアイレンズのレンズセル１２０ａがＬＥＤチップ１１５の配列と１：１対応して配列される。すなわち、それぞれのフライアイレンズのレンズセル１２０ａが各ＬＥＤチップ１１５に対して対向して配列される。
【００３４】
光学素子１２０を通過した平行光は、ライトトンネル１２５を通じて均一光になり、ライトトンネル１２５を通過した光は、ＬＥＤチップ１１５の形態の通り傾斜してほぼ長方形の分布を有する。かかる分布を有する照明光は、入射側のプリズム１３０ａで全反射されてディスプレイパネル１３２に入射される。ディスプレイパネル１３２から反射された光は、入射側のプリズム１３０ａ及び出射側のプリズム１３０ｂを通じて投射レンズユニット１３５に向かって出射される。
【００３５】
ディスプレイパネル１３２から出射される光は、既にストップ１３４により形成される有効光の形態にほぼ定型されているので、ストップ１３４により除去される光量を最小化できる。したがって、本発明による照明系及びプロジェクションシステムの光効率を改善できる。
【００３６】
ディスプレイパネル１３２で形成された画像は、投射レンズユニット１３５を通じて拡大されてスクリーンＳで大型画像にディスプレイされ、光効率の改善によって輝度が改善された画像を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、プロジェクションシステム関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来のプロジェクションシステムに採用されるＬＥＤパッケージを概略的に示す図である。
【図２Ａ】プロジェクションシステムで画像を形成するためのディスプレイパネルとしてＤＭＤが使われるとき、マイクロミラーの回転による入射光、有効光、外光及び無効光を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した入射光、有効光、外光及び無効光をマイクロミラーに対して投影して示す図である。
【図３Ａ】ＤＭＤとなるディスプレイパネルの一例を示す図である。
【図３Ｂ】従来のプロジェクションシステムにおいて、投射レンズユニットに備えられたストップにより形成される有効光と、従来のＬＥＤパッケージを採用した照明系により形成される光の分布を比較して示す図である。
【図４】本発明の望ましい実施形態による照明系及びプロジェクションシステムを示す図である。
【図５】本発明の望ましい実施形態によるＬＥＤパッケージを示す図である。
【図６Ａ】本発明のプロジェクションシステムに備えられるディスプレイパネルのマイクロミラーの配列構造を示す図である。
【図６Ｂ】本発明のプロジェクションシステムに備えられるディスプレイパネルのマイクロミラーの配列構造を示す図である。
【図７】本発明によるプロジェクションシステムの投射レンズユニットに備えられたストップにより形成された楕円形の有効光とライトトンネルを通過した光とを比較して示す図である。
【図８Ａ】本発明によるＬＥＤパッケージから照明された光の光角による光強度の分布を示す図である。
【図８Ｂ】本発明によるＬＥＤパッケージから照明された光の光角による光強度の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００    ＬＥＤパッケージ
１１３    基板
１１５    ＬＥＤチップ
１２０    光学素子
１２０ａ  レンズセル
１２２    第１集束レンズ
１２３    第２集束レンズ
１２４    第３集束レンズ
１２５    ライトトンネル
１２７    第４集束レンズ
１３０    全反射プリズム
１３０ａ  入射側のプリズム
１３０ｂ  出射側のプリズム
１３２    ディスプレイパネル
１３４    ストップ
１３５    投射レンズユニット
Ｓ        スクリーン
【図１】
2006189825.tif 000003
【図２Ａ】
2006189825.tif 000004
【図２Ｂ】
2006189825.tif 000005
【図３Ａ】
2006189825.tif 000006
【図３Ｂ】
2006189825.tif 000007
【図４】
2006189825.tif 000008
【図５】
2006189825.tif 000009
【図６Ａ】
2006189825.tif 000010
【図６Ｂ】
2006189825.tif 000011
【図７】
2006189825.tif 000012
【図８Ａ】
2006189825.tif 000013
【図８Ｂ】
2006189825.tif 000014